C波段高穩(wěn)定陶瓷諧振振蕩器設(shè)計(jì)

王紅梅，溫艷兵，王毅剛，馬建軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，微波設(shè)備和系統(tǒng)也趨向小型化、輕量化和集成化。微波陶瓷諧振振蕩器（CRO）使用高Q值的陶瓷諧振器（CR）作為穩(wěn)頻元件，具有較好的頻率及功率穩(wěn)定性，且噪聲低、體積小[1]。本文結(jié)合C波段CRO的電路仿真、制作從多個(gè)方面論述了實(shí)踐中提高頻率穩(wěn)定度的方法。

2 基本原理

振蕩器是由一個(gè)有源器件（二極管或三極管）和確定頻率的無(wú)源諧振元件及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成的，見(jiàn)圖1。

圖1 負(fù)阻振蕩器等效網(wǎng)絡(luò)[2]

從圖1可以看出諧振網(wǎng)絡(luò)、晶體管及輸出網(wǎng)絡(luò)的變化都會(huì)對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定造成影響。由公式:可以看出電感L和電容C直接決定著頻率，而它們又隨溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)等環(huán)境因素變化而變化，導(dǎo)致頻率跟著變化。尤其是隨著頻率增高，電抗元件的高頻損耗加大，Q值下降，所以在頻率、帶寬滿足的前提下應(yīng)盡量選擇高Q值的諧振器。

3 電路設(shè)計(jì)及仿真

這里我們制作了一種C波段壓控振蕩器，由于在全溫范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為f±15MHz、調(diào)頻線性小于1.1、總調(diào)諧帶寬近200MHz，所以首先考慮到用石英諧振器、介質(zhì)諧振器（DR）等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng)，因?yàn)檫@類振蕩器都是高Q值、低損耗，較易實(shí)現(xiàn)較高的頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度及低相噪，且體積、耗電均很小。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，石英諧振器的諧振頻率過(guò)低，而介質(zhì)諧振器在C波段體積又過(guò)大，只有陶瓷諧振器（CR）尺寸合適，為此我們?cè)谡{(diào)諧回路引入了陶瓷諧振器（CR）。CR類似于硬同軸線，其中心導(dǎo)體的末端與同軸線的外部相連。因?yàn)镃R的同軸裝置是由鍍銀的高ε、低損耗材料制成，電磁場(chǎng)僅包含在同軸內(nèi)部，只有很少的輻射，所以適用于高Q值、高穩(wěn)定度的振蕩器。CR通常工作在λ/4模式或λ/2模式。這里我們選用了TEMEX公司的CR，εr=37，工作在λ/4模式。

3.1 電路形式的選擇

共基極電路易起振，調(diào)諧帶寬寬；共集電極電路輸出功率大、調(diào)諧帶寬小，考慮到帶寬，這里采用了共集電極、基極調(diào)諧、射極輸出的電路，見(jiàn)圖2。

圖2 電原理圖

3.2 晶體管工作點(diǎn)的選擇

晶體管的參數(shù)（輸入輸出阻抗等）受工作點(diǎn)影響很大，其結(jié)電壓會(huì)隨著溫度升高而以一定比率降低，使結(jié)電容增大，造成頻率下降，所以本例中我們除了選擇高穩(wěn)定的穩(wěn)壓塊給振蕩管供電外，還在穩(wěn)壓塊引腳處并聯(lián)了相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電容去耦來(lái)減小紋波，使相噪更好，頻穩(wěn)度更高；同時(shí)利用PN結(jié)在高低溫下壓差變化的特性，特別減小了射極下偏置電阻值，這樣工作電流的改變，起到了補(bǔ)償頻率變化的作用，尤其是在低溫下。晶體管工作在+5V，電流僅為10mA，這樣也防止了因電流過(guò)大引起晶體管結(jié)溫升高而導(dǎo)致的頻漂。

3.3 回路耦合設(shè)計(jì)

負(fù)載的變化會(huì)直接反映到振蕩回路中，既影響諧振頻率，又使Q值變化，從而改變頻率，故從振蕩回路的低阻抗點(diǎn)輸出信號(hào)可減小負(fù)載的影響。這里由于體積所限輸出采用了衰減后再加放大器，而不是常規(guī)的在振蕩器與負(fù)載間加隔離器，這樣負(fù)載與諧振回路的耦合更弱，影響更小。諧振回路也采用了弱耦合，CR與變?nèi)莨苤g只用了0.2pF的片電容。

3.4 壓控支路的溫度補(bǔ)償

這里變?nèi)莨苓x擇了1084，系常γ超突變結(jié)砷化鎵變?nèi)荻O管，其Q值高于硅變?nèi)荻O管。由于變?nèi)莨芊蔷€性，偏壓低時(shí)變?nèi)莨芮€斜率大，壓控斜率也大，偏壓高時(shí)正相反；且溫度變化會(huì)使變?nèi)莨芙佑|電位和介電常數(shù)發(fā)生變化，引起結(jié)電容的變化，且呈正溫度系數(shù)關(guān)系。所以我們將一只負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷電容串入變?nèi)莨苤C振回路，在全溫范圍取得較好的補(bǔ)償效果。同時(shí)由于該變?nèi)莨茏儽却螅覀冎恍?00MHz帶寬，所以對(duì)壓控支路進(jìn)行了分壓，并在分壓支路引入熱敏電阻進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，見(jiàn)圖3。

圖3 壓控支路

考慮到寬溫范圍，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選用了雙熱敏電阻單T型網(wǎng)絡(luò)，這種形式適用于二次曲線的補(bǔ)償，其中R1、R2、R3為固定電阻，上偏置R4（T）為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，下偏置R5（T）為正溫度系數(shù)熱敏電阻。為防止過(guò)度補(bǔ)償，這里還用了一個(gè)固定電阻R6與熱敏電阻R5（T）并聯(lián)，以降低R5（T）隨溫度變化的靈敏度。

3.5 電路仿真

仿真電路及仿真結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 仿真電路

圖5 仿真結(jié)果

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上的分析與仿真，我們制作的C波段CRO取得了較為滿意的指標(biāo)，V-P、V-f特性見(jiàn)圖6，全溫范圍溫漂≤50×10-6/℃，帶內(nèi)線性≤1.1，頻率穩(wěn)定度≤±15MHz，帶寬穩(wěn)定度≤±2MHz。

圖6 實(shí)測(cè)曲線

諧波抑制≥20dBc，雜波抑制≥60dBc，相噪≤-108dBc/Hz/10kHz。

4 結(jié)論

從以上分析可知，提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法就是提高振蕩回路的Q值，比如選擇高Q的變?nèi)莨堋㈦娙?、電感等元件；因Q正比于，可增加電感量；振蕩管工作點(diǎn)的選擇及電路形式也至關(guān)重要。這里再補(bǔ)充一點(diǎn)，最好在裝配好一個(gè)振蕩器后先進(jìn)行一定時(shí)間的高溫電老化，使所用元器件的狀態(tài)更穩(wěn)定，這樣也有利于頻率穩(wěn)定度的提高。總之，根據(jù)產(chǎn)品的指標(biāo)可以綜合運(yùn)用多種方法，以取得滿意的效果。

[1] George D. Vendelin，Anthony M. Pavio，等.線性與非線性微波電路設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 費(fèi)元春，陳世偉，孫燕玲，等. 微波固態(tài)頻率源——理論·設(shè)計(jì)·應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.